Sowohl am CERN in Genf als auch bei der NASA wurden gestern erste Langzeitergebnisse der Messkampagne des Alpha-Magnet-Spektrometers, das an der Außenseite der Internationalen Raumstation befestigt ist, vorgestellt.
Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NZZ, Wikipedia, AMS02.org, NASA, Raumcon, Zauber der Sterne.
Unter 25 Milliarden gemessenen Partikeln fanden sich während der 18 Monate des Betriebs des Teilchendetektors etwa 6,8 Millionen hochenergetische Leptonen, darunter etwa 400.000 Positronen, die Antiteilchen der Elektronen. Dies sind rund 14.000 mehr als ein Universum ohne Dunkle Materie und Pulsare erwarten ließe. Normalerweise entstehen Positronen nur, wenn schnelle Wasserstoffkerne auf Teilchen des Interstellaren Mediums treffen. Allerdings gibt es noch ein zweites Modell zu deren Entstehung ohne Dunkle Materie. Von Pulsaren ausgesandte energiereiche Photonen können Paare aus Elektronen und Positronen bilden. Dann kämen die Positronen aber nicht gleichmäßig aus allen Richtungen des Universums.
Das Alpha-Magnet-Spektrometer ist ein etwa 8,5 t schwerer Teilchendetektor, der im Inneren mit einem großen Dauermagneten ausgestattet ist, der aus vielen kleinen Magneten in besonderer Weise zusammengesetzt wurde. Gelangen geladene Teilchen in das Magnetfeld von etwa 125 mT (Millitesla), werden sie durch die Lorentzkraft abgelenkt. Im Inneren des Magnetfeldes befinden sich mehrere Schichten Siliziumstreifendetektoren, die beim Durchflug der Teilchen eine Reaktion feststellen. Aus der Bahn durch die Schichten lassen sich Einflugrichtung, Geschwindigkeit, Masse und Ladung der Teilchen berechnen.
Auf der Erde ruft die kosmische Strahlung beim Flug durch die Atmosphäre einen Schauer von Sekundärteilchen hervor. Daher macht die Suche nach Antimaterie und Dunkler Materie im All mehr Sinn. AMS 2 ist für einen Messzeitraum von etwa 18 Jahren konzipiert, die bisherigen 18 Monate machen demnach etwa ein Zwölftel der möglichen Zeit aus.
Dunkle Materie ist ein Modell, mit dem Astronomen und Kosmologen die Stabilität von Galaxien und Galaxienhaufen erklären wollen. Normalerweise müssten sich die Sterne in den Außenbereichen einer Galaxie deutlich langsamer bewegen als in der Nähe des Zentrums. Bei den Planeten in unserem Sonnensystem ist dies so. Während Merkur, der sonnennächste Planet, auf seiner Bahn um die Sonne eine Geschwindigkeit von etwa 48 km/s besitzt, bewegt sich die Erde mit nur etwa 30 km/s, Neptun, der äußerste Planet, mit nur reichlich 5 km/s. In Galaxien hingegen besitzen außen liegende Sterne beinahe dieselbe Winkelgeschwindigkeit wie innere Sterne. Dies erklärt man sich nun dadurch, dass es eine für uns bisher nicht wahrnehmbare Materie gibt, welche durch ihre Gravitation die äußeren Sterne mit zieht. Da wir diese Materie nicht sehen können, sie sendet weder Licht aus, noch absorbiert sie es, nennt man sie Dunkle Materie.
Theoretisch sollten bei Kollisionen bzw. Umwandlungen von Teilchen der Dunklen Materie aber auch Materieteilchen wie etwa Positronen entstehen. Deren Energien lägen in einem ganz bestimmten Bereich, der aber auch durch andere Prozesse im sichtbaren Universum besetzt wird.
Man erwartet nun im Verlauf weiterer Messungen, dass in der Häufigkeitskurve für die Energien solcher Teilchen irgendwo ein Knick auftritt. Dort würden zwei unterschiedliche Entstehungsprozesse aufeinander treffen, einerseits Positronen, die von Pulsaren ausgesandt werden, andererseits Positronen, die durch Dunkle Materie verursacht werden. Bisher hat man diesen Knick aber noch nicht gefunden. Lediglich die 14.000 überzähligen Positronen sind ein guter Hinweis auf die Existenz der Dunklen Materie.
Zweites wichtiges Forschungsziel ist die Suche nach Antimaterie im All. Beim Urknall, vor etwa 13,8 Milliarden Jahren, enstanden Materie und Antimaterie gleichermaßen aus Energie (E = mc²). Treffen ein Materieteilchen und sein Antiteilchen aufeinander, so wandeln sich beide wieder in Strahlungsenergie um. Heute beobachten wir aber ausschließlich Materie. Wo ist die Antimaterie hin?
Einer gängigen Theorie nach gibt es ein kleines Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie, weshalb wir heute keine Antimaterie mehr beobachten können. Um sicher zu gehen, wird bei der Auswertung der Daten von AMS 2 auch nach Antiatomen bzw. deren Kernen gesucht. Die kosmische Strahlung besteht aus Elementarteilchen wie Elektronen, Protonen oder Positronen, aber auch aus schwereren Kernen wie Helium (Alphateilchen), Kohlenstoff oder Stickstoff. Fände man einen einzigen Antikohlenstoffkern, so wäre damit der Nachweis erbracht, dass es Sterne aus Antimaterie im Universum gibt, da Kohlenstoff nicht beim Urknall entstanden sein kann, sondern in Sternen „erbrütet“ wird.
Hier gibt es vom AMS-Team allerdings eine Fehlmeldung. Bisher wurde kein einziger Antimateriekern ab Helium gefunden. Den größten Teil seiner Messkampagne hat der komplexe Detektorblock allerdings noch vor sich. In Zukunft möchte man sich auf Ereignisse mit höheren Energien, oberhalb von 250 GeV (Gigaelektronenvolt), konzentrieren. Der Messbereich der Apparatur reicht bis etwa 1.000 GeV.
Das AMS 2 ist ein Gemeinschaftsprojekt von Wissenschaftlern aus 56 Forschungsinstituten aus 16 Ländern, darunter die Bundesrepublik Deutschland, und gelangte im Mai 2011 beim letzten Flug der US-Raumfähre Endeavour (STS 134) zur Internationalen Raumstation. Hier wurde der Detektor an der großen Gitterstruktur installiert und mit Energie- sowie Datenleitungen verbunden. Seitdem liefert er täglich Daten von Millionen Teilchen, die in sein Inneres gelangen und hier ihre charakteristischen Spuren hinterlassen.
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